GIS在测量中的运用

早在1960年代，GIS已在北美洲加拿大、美国等地开始运用。1960年代美国、加拿大为调查与分析其国土利用、自然资源、地质、人口普查等数据，遂有地理信息系统(GIS,Geographic Information System)的萌芽，直到 1990年代，由于个人计算机的普及，以及因特网的快速发展，GIS的应用才开始日趋个人化、生活化。但早期由于计算机设备极为昂贵，仅有政府机构拥有足够的财力与人力来发展GIS。如今，不论是政府机构、企业团体乃至个人，都可以根据需要，建构一个地理信息系统，随时为自己提供实时的空间分析。GIS发展至今已40余载，近年来与遥感探测(Remote Sensing)、全球定位系统(GPS,Global Positioning System)等技术相结合，相关应用急速增广，成为信息界不可忽视的领域是一个跨学门新科技，他所涵盖的理论和技术来自于数个传统的学科，包括：地理学、地图学、测量学、数学、信息科学等。就应用层面而言，它所涉及的领域更为广泛，如环境影响评估、资源管理、国土规划、都市和区域计划、交通管理、森林经营、运输规划、生态保育、考古调查…等，举凡需要涉及地理因子或空间资料的问题，都可以利用他来辅助作业，地理信息系统是决策支持上的重要工具。

构成要素与计算机结合的发展

地理信息系统，英文全名为「Geographic Information System」，通常简称为「GIS」。顾名思义，地理信息系统是由「地理」、「信息」、「系统」三者结合而成。凡是与相对位置或空间分布有关的知识都是地理的范畴；将空间数据经数字化处理后，储存于计算机数据库中，就是信息；将计算机硬件、操作软件、空间数据与使用人员连结起来，就是一个系统。地理信息系统(GIS)经由软硬件的整合，可同时解决图面数据及属性数据的输入、储存、取用、分析、展现等问题，以提供全方位的决策重要信息。
地理信息系统（GIS）的定义可分三部分：
一、以处理对象而言：空间信息及其相关联的属性。
二、以处理方式而言：计算机化的输入、处理、分析、输出、计算机化。
三、以运用功能而言：决策、管理支持。
综合而言，地理信息系统是一计算机化系统，针对空间及其属性信息建立数据库，并以输入、处理、分析及输出四大部分功能，来作为决策及管理支持。GIS的组成可依狭义与广义的系统分别说明，即系统本身及系统与其操作环境。地理信息系统的特性是在空间信息处理，其包括了二度（平面，多为传统的地图）三度（立体）及四度（空间时间）的信息。狭义指系统本身，如数据库、软件、硬件。广义指系统环境：GIS系统软硬件，操作员、经理、使用者、系统发展者、应用模式建立者。

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地理信息系统本身有四个主要的组成：输入、管理、分析应用及展示。另外上使人、组织、维护管理人员成为一完整的系统环境。
硬件：执行GIS的计算机系统。
软件：提供储存、分析、显示地理信息。
资料：地理数据及所对应的属性数据。
使用者：设计维护系统技术人员系统操作人员。
方法：运作方式与规则。
研究领域
台湾地区GIS的发展，可分成几个阶段。最早的应用始于1970年中期，政府单位使用卫星影像数据进行农产量预测与森林资源分析；1985年的后，部分教育及学术单位相继从国外引进GIS软件加以推广应用，GIS方如雨后春笋般蓬勃发展。按1994年行政院信息发展推动小组所发表的白皮书中指出，政府信息建设优先推动的六大计划，其中「国土信息系统」与「地政信息管理」两计划便与GIS技术有密切的关系。
尽管GIS在许多领域均有出色的表现，但一般人印象中仍把GIS想象成绘制与打印电子地图的工具。事实上GIS还具有许多功能，若仅需要制图与出图，或许AutoCAD、一般影像处理软件就能满足您的需求。一套完整的地理信息系统，可以储存极为庞大的空间信息，不但能迅速呈现出一幅相关地区的电子地图，并能根据需要，提供各种空间信息，让使用者在计算机屏幕上操作、迭合、重组或抽离，使他对自己的生活环境或周遭世界可以一目了然，迅速掌握。结合地图处理、数据库与空间分析三项功能，正是地理信息系统的最大特色。

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GIS的应用范围极为广泛，举凡环境保护、自然资源管理、土地管理、都市区域规划、交通运输、流行病追踪、最适地址选择等等，几乎无所不包。目前行政院正大力推导的国土信息系统乃是整合全国所有具空间分布特性的地理数据，以达到数据共享与多目标应用的目的，而内政部营建署也积极建立公共设施管线数据库及标准制度规范，作为八大管线（1.电力2.电信3.自来水4.瓦斯5.输油6.水利7.下水道8.综合管线）单位建立地理信息的规范及参考。
就及基本功能做一概括性的介绍。
GIS的建置与数据处理
一、GIS的数据特性
GIS中涵盖两类数据：空间数据(Spatial Data)及属性数据 (Attribute Data)。空间数据记录空间中的点、线、面等空间元素，如：城市、河川、道路、洪泛区域....。属性数据记录空间元素的特征，如：城市的名称、面积、人口、老人率，河川的长度、洪峰等数据，一般系以表格型态(Table)存在。
空间数据又可分成两类：网格数据(Raster Data)及向量资料(Vector  Data)。网格数据系由点矩阵所组成，例如一般bmp档案等影像数据；向量数据则以记载空间中的点、线、面等元素的坐标为主，可对不同的空间元素进行搬移、修改、复制、删除等编辑工作。因向量空间数据较容易与相对的属性数据结合，一般GIS软件多以处理向量数据为主。

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（一）GIS基本功能
1.空间数据与属性数据的制造、储取与展现
一般GIS软件皆有其专用的空间数据格式。有关向量空间数据的制造可使用数字板(Digitizer)将地图上的空间信息以手描方式直接输入，或以扫描仪(Scanner)将地图扫描成网格数据文件后，再另行转换成向量格式(Raster to Vector)。若已知空间元素的坐标，如：经纬度、二维坐标，也可以批次方式将空间坐标转入GIS系统中。新增空间元素时，GIS软件会自动计算并记录空间元素的相关属性，如：点的坐标、线的长度、区域的面积等。GIS也提供属性数据的输出入与管理功能，部分GIS软件也可透过ODBC(Open DataBase Connectivity)与外部数据库连结。
2.空间元素与其属性数据间具有相互索引的能力
可由GIS地图上的空间元素索引其属性数据，或由属性数据索引地图上的空间元素。例如：欲列出飞弹基地周围十公里内的学校名单，可先于画面上以飞弹基地为圆心，设定十公里的半径范围，GIS即可挑选出座落于该范围的学校(空间元素)，进而索引出这些学校的属性数据并产生报表。反的，可先查询属性数据或予以适当的分类 (Group)，再设定予不同的颜色由GIS自动把对应的空间元素表现于图面上。例如：先将属性数据按各村里老龄人口比率的高低排序，藉GIS把比率偏高的前一千个村里以特殊颜色表示于地图上，可观察老化程度偏高村里的集中区位。 内容来自GIS公园
3.空间数据可按主题(Theme)分成不同的图层(Layer)，使用时再选取必要的图层予以套迭
可将地图上信息按行政区、道路、水系、植披、土地利用、等高线、考古遗址、不同朝代的历史地名...等不同主题，将空间数据储存到不同的图层，并联结上不同的属性数据库。藉此可弹性运用数据，按不同需求组合不同的图层，增加数据的再使用率。但须留心坐标系与投影系统一致的问题。
4.空间数据可进行交集、差集、联集、判别及制造环域区 (Buffering)等运算
GIS中可使用空间数据直接进行运算，这是GIS最具特色的功能，可藉此完成许多复杂的分析。例如将耕种水稻区域的图层与土地受污染的图层，进行差集即可产生一份表示可收成水稻的区域图层，若将两图层进行交集则所产生的数据可用以修正今年水稻产量的预测。
交集、联集、差集等空间运算的意义较容易想象，另举一例说明环域制造与判别两运算的意义与应用：某镇公所，希望新辟2条8米宽的道路，为估计经费需要一份土地征收补偿费报表。今有道路路线图、道路所经不同区域的公告地价与相关信息。而运用GIS处理有二个步骤：
步骤一：先对此道路图层进行环域运算(Buffering)，其结果将产生依道路路线往外延展8公尺宽的环域图层，见下图。GIS具有对点、线、面等空间元素进行环域处理的功能，例如大比例尺的地图上，核三厂为一面元素，对该区域进行3公里的环域运算后，所得的结果可表示核三厂周围3公里的警界范围。 本文来GIS公园
步骤二：将道路图层按地籍图层进行判别运算，由图了解该两道路将经过地籍图上的3个区域。两图层运算后GIS产生新图层的道路已按所经区域的不同而划分5块小路段，新的属性数据包括这五段道路区域面积、土地单价、所属区域及道路名称。由这些信息可概估总补偿金额。GIS中也具有将点图层依面图层进行判别的能力，此功能可使点元素按区域别归类。
5.建立空间元素的拓扑关系(Topology)
为加快空间元素的运算速度，由点、线、面构成向量图后，须进一步进行相位分析。GIS中记录线元素是否相连、相联机段的顺序、线段左右两侧的面元素等数据，对于面元素则纪录彼此相邻等讯息。这点是GIS空间数据与一般CAD档案的重要差异。
6.空间数据投影及转换功能
地球本身为一椭圆球体，对小范围而言，可将地表视为一平面，若地图含盖较大区域，如：中国大陆，则须考虑曲面资料投影的问题。投影方式有多种，投影结果可能造成空间面积、距离不再维持等比例或方位产生改变，没有一种投影方式，可完全兼顾上述三种考虑。使用者可按地图的用途与地图呈现的区位选用不同的投影方式，例如：航海图以方位、距离的精准为主要考虑，对高纬度与中纬度区域也会考虑使用不同的投影方式。GIS软件提供多种投影功能，可藉此将经纬坐标转成二度空间坐标。使用不同投影方式所产生的图层直接套迭的结果往往发生相当的误差，例如将不同投影的基本图层与城市图层成套迭后，发生城市位于海上的情况。这时，也可利用GIS投影转换的功能将图层先转换成相同的投影方式再予套迭。目前，台湾地区五千分的一的地图，使用横麦卡脱(Transverse Mercator Projection)二度分带投影居多。 GIS公园www.gispark.com
（二）地理数据分析功能
地理数据分析功能是地理信息系统中最要的一项，分析功能越强越能有效的处理及分析出有用的地理信息。其分析功能大致上可分成四类：
1.空间数据处理：（Spatial Manipulatio）
（1）向量及方格数据转换（Vector/cell conversion）
（2）坐标转换（Transformation）
（3）坐标数据过滤（Coordinate filtering）
（4）近邻分析（Proximal Analysis）
（5）面积／外围计算（Area/Perimeter Calculation）
2.空间数据分析（Spatial/Analysis）
（1）多边形相迭（Polygon overlay）
（2）多边形取消（Polygon dissolve）
（3）点在多边形内（Point in polygon）
（4）环框/通廊的形成（Buffering /Corridoring）
（5）窗口（Windowing）〕
3.数值地形分析（Digital Terrain Analysis）
（1）等值线绘制（Contouring）
（2）坡度／坡向计算（Slope/Aspect）
（3）集水区分析（Watershed Analysis）
（4）体积计算（Volume Calculation）
（5）割面图制作（Cross Section）
（6）三度空间立体图制作（3-D Viewing）
4.网络分析（Network Analysis） 本文来GIS公园
（1）最佳路线选择（Optimal Selection,Routing）
（2）流量模拟（Flow Simulation）
（3）时间/距离分区(Time/Distance Distriction, Allocayion, Location)
应用与发展趋势
卫星影像数据虽然可以迅速掌握土地利用变化的讯息，但却无法表达确实的地理位置，必需配合GIS技术，整合相关地理数据后，方可确定其真正的地理位置。另外，为使人员能更迅速精确到达变迁现场查核，辅以GPS引导，更加可以达到事半功倍的绩效。GPS与GIS的结合，可以让我们更快速、精确获取地理空间数据库所需的数据。
GPS单点定位的应用
GPS单点定位精度差，故较常用于各种GIS现场调查的定位。单点定位系单独一个观测站接收讯号进行定位者，称为单点定位或绝对寻址或导航定位。采用虚拟距离观测量；精度较差，仅能消除接收仪时钟误差；用于现场调查定位的接收仪，必须具备轻巧的特性。
 
最简单的应用即就是在土木工程中的测量学领域：
1.可用在道路工程描述地形、地物，将每一条道路先赋予一个编码。
2.国土计划：区域计划、都市计划、国家公园计划，以及特定区规划等等。
3.土地使用：土地利用规划、土地资源管理、海洋地区规划、地价评估、机场设施规划、高速公路规划分析。 www.gispark.com
4.资源分析、经理及应用
5.环境保育：环境资源经理、分析、保护、评估及监测等
6.水资源管理：流域经营、河川流量分析、洪峰估计
7.交通系统网络分析：公路选线、交通系统规划、交通分析、地势分析
8.国防军事应用：飞弹地形数据库建立、军事设施工程规划管理
9.社会安全系统规划
10.公共设施及管理经营管理：下水道规划、瓦斯、电信、电力、自来水的管线管理经营管理
11.地形、地质的状况模拟：工程挖填方土方计算、坡度及坡向方析等
12.车辆导航系统：计算机地图的建立
13.商业市场分析：商业区域分析
14.考古、不动产、人口、土壤分析等等

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